Què és un termopar?

Què és un termopar?

És un element de detecció de temperatura que s’utilitza habitualment en els instruments de mesurament de la temperatura. Mesura directament la temperatura i converteix el senyal de temperatura en un senyal potencial termoelèctric, que després es converteix per instruments elèctrics (instruments secundaris) en la temperatura del medi mesurat. Tot i que les formes de diversos termoparells poden variar molt segons la seva aplicació, la seva estructura bàsica és en gran mesura la mateixa, normalment formada per un element termoelèctric, un tub de protecció de màniga aïllant i una caixa de cruïlla. Aquests termoparells s’utilitzen generalment conjuntament amb instruments de visualització, instruments de gravació i reguladors electrònics. Com funciona un termopar, aquesta relació s'utilitza àmpliament en la mesura pràctica de la temperatura. Atès que la unió freda T0 es manté constant, el potencial termoelèctric generat per la termopar només varia amb els canvis en la temperatura de la unió calenta (l'extrem de mesura). Això significa que un potencial termoelèctric específic correspon a una temperatura específica. Mitjançant el mètode de mesura del potencial termoelèctric, podem aconseguir el propòsit de mesurar la temperatura El principi fonamental de la mesura de la temperatura del termopar és que un circuit tancat està format per dos conductors de diferents materials. Quan hi ha un gradient de temperatura entre els dos extrems, el corrent flueix pel circuit, generant una força electromotriu (EMF) entre els dos extrems. Aquest fenomen és conegut com l'efecte Seebeck. Els dos conductors, de diferents materials, són els termoelements, amb l'extrem més calent que serveix com a final de treball i l'extrem més refrigerat com a extrem lliure, que es manté normalment a una temperatura constant. A partir de la relació entre l’EMF i la temperatura, es crea una taula de calibració de termopar. Aquesta taula es basa en la condició en què la temperatura final lliure és de 0 graus i diferents termoparells tenen les seves pròpies taules de calibració. Quan s’afegeix un tercer material metàl·lic al circuit de termopar, sempre que les temperatures a les dues juntes d’aquest material siguin les mateixes, el potencial termoelèctric generat per la termopar es mantindrà sense canvis, sense afectar -se per l’addició del tercer metall. Per tant, quan s’utilitza un termopar per a la mesura de la temperatura, es pot connectar un instrument de mesura per mesurar el potencial termoelèctric, cosa que permet determinar la temperatura del medi. Quan es mesura la temperatura amb un termopar, és essencial que la temperatura a la unió freda (el final connectat al circuit de mesura mitjançant cables) es mantingui constant, ja que això garanteix que el potencial termoelèctric sigui proporcional a la temperatura mesurada. Si la temperatura a la unió en fred (l’entorn) canvia durant la mesura, pot afectar significativament la precisió de la mesura. Per compensar l’impacte dels canvis en la temperatura de la unió en fred, es prenen mesures a la unió freda, que es coneix com a compensació d’unió freda. S'utilitzen cables especials de compensació per connectar -se a l'instrument de mesura.

Tipus i característiques comunes dels termoparells

Els termoparells comuns es poden classificar en dos tipus principals: estàndard i no - estàndard. Els termoparells estàndard són aquells per als quals la norma nacional especifica el seu potencial termoelèctric - relació de temperatura, error admissible i una taula de calibració unificada. Venen amb instruments de visualització coincidents per a la selecció. Els termoparells estàndard no - tenen un rang o una quantitat més petita d'aplicacions en comparació amb els termoparells estàndard i, generalment, no tenen una taula de calibració unificada, cosa que les fa servir principalment per a mesures en situacions especials. Des de l’1 de gener de 1988, la Xina ha normalitzat la producció de termoparells i termòmetres de resistència segons els estàndards internacionals IEC, designant set tipus - s, b, e, k, r, j, t - com a termocouples estàndard unificats per a la Xina.

Teòricament, es poden combinar dos conductors diferents (o semiconductors) per formar un termocopa. No obstant això, com a components pràctics de mesurament de la temperatura, han de complir diversos requisits. Per garantir la fiabilitat i la precisió suficient en les aplicacions d’enginyeria, no tots els materials són adequats per a termoparells. Generalment, els requisits bàsics per als materials d’elèctrodes dels termoparells són:

1. Dins del rang de mesurament de la temperatura, les propietats termoelèctriques són estables i no canvien amb el temps, i hi ha una estabilitat física i química suficient, que no és fàcil d’oxidar o corroir;

2, petit coeficient de resistència de resistència, alta conductivitat, petita calor específica;

3. El potencial termoelèctric generat en la mesura de la temperatura ha de ser gran i el potencial termoelèctric és una relació de funció lineal o gairebé lineal amb la temperatura;

4. El material té una bona reproductibilitat,

Com instal·lar la termopar?

A la producció, a causa de diferents objectes en prova, diferents condicions ambientals, requisits de mesurament diferents i diferents mètodes d’instal·lació de resistències tèrmiques i mesures preses, hi ha molts problemes a considerar. Tanmateix, en principi, es pot considerar a partir de tres aspectes: precisió de la mesura de la temperatura, la seguretat i la comoditat del manteniment. Per evitar danys a l’element de detecció de temperatura, s’hauria d’assegurar que tingui força mecànica suficient. Per protegir l’element del desgast, s’ha d’afegir una pantalla protectora o tub. Per garantir la seguretat i la fiabilitat, el mètode d’instal·lació de l’element de detecció de temperatura s’ha de determinar a partir de condicions específiques, com ara la temperatura i la pressió del medi a mesurar, la longitud de l’element, la seva posició d’instal·lació i la forma. A continuació, es mostren alguns exemples per cridar l'atenció:

Tots els elements de detecció de temperatura instal·lats per suportar la pressió han de garantir el seu segellat. Per als termoparells que operen a temperatures elevades, per evitar la deformació del tub protector, generalment s’han d’instal·lar verticalment. Si és necessària la instal·lació horitzontal, no hauria de ser massa llarga i s’hauria d’utilitzar un suport per protegir la termocopa. Si l’element de detecció de temperatura s’instal·la en un pipeline amb alta velocitat de flux mitjà, s’ha d’instal·lar en un angle. Per evitar una erosió excessiva, el millor és instal·lar l’element de detecció de temperatura als revolts del pipeline. Quan la pressió mitjana supera els 10MPa, cal afegir una màniga protectora a l’element de mesura. La ubicació d’instal·lació de termoparells i resistències tèrmiques també ha de considerar l’espai suficient per al desmuntatge, el manteniment i la calibració. Els termoparells i les resistències tèrmiques amb tubs de protecció més llargs han de ser fàcils de desmuntar i muntar

Mètode de mesura de la temperatura del termopar

El temps de resposta tèrmica és complex i diferents condicions experimentals poden comportar diferents resultats de mesurament. Això es deu al fet que el temps de resposta tèrmica està influenciat per la velocitat de transferència de calor entre el termopar i el seu medi circumdant; Una taxa de transferència de calor més elevada dóna lloc a un temps de resposta tèrmica més curt. Per garantir que el temps de resposta tèrmica dels productes de termopar és comparable, els estàndards nacionals especifiquen que el temps de resposta tèrmica s’ha de mesurar mitjançant un dispositiu especialitzat de prova d’aigua. El cabal d’aigua s’ha de mantenir a 0,4 ± 0,05 m/s, amb una temperatura inicial que oscil·la entre 5 i 45 graus i un pas de temperatura de 40-50 graus. Durant la prova, la temperatura de l’aigua no hauria de canviar més d’un ± 1% del pas de temperatura. La termopar s’ha d’inserir a una profunditat de 150 mm o a la profunditat d’inserció de disseny (que sigui més petita) i s’hauria de notar a l’informe de prova.

Com que el dispositiu és relativament complex, només algunes unitats tenen aquest equip actualment, de manera que l’estàndard nacional estipula que el fabricant i l’usuari poden negociar per adoptar altres mètodes de prova, però les dades que es donen han d’indicar les condicions de prova.

Com que el potencial termoelèctric del termopar de tipus B és molt reduït a la temperatura ambient, el temps de resposta tèrmica no és fàcil de mesurar. Per tant, l’estàndard nacional estipula que el conjunt d’elèctrodes termoelèctrics de la mateixa especificació del termopar de tipus S es pot utilitzar per substituir el seu propi conjunt d’elèctrodes termoelèctrics i, a continuació, es pot realitzar la prova.

Durant l'experiment, registreu el temps T0.5 quan la sortida de la termopar canvia fins al 50% del canvi de pas de temperatura. Si cal, registreu també el temps de resposta tèrmica del 10% T0.1 i el 90% del temps de resposta tèrmica T0.9. Els temps de resposta tèrmica registrats haurien de ser la mitjana d'almenys tres proves, amb cada mesura desviant -se de la mitjana en un ± 10%. A més, el temps necessari per al canvi de pas de temperatura no ha de superar una - desena de la T0.5 del termopar provat. El temps de resposta de l’instrument o mesurador de gravació tampoc no ha de superar una - desena del T0.5 del termopar provat.

Tipus principals de termocopis

1. Classificació Segons el tipus de dispositiu de fixació com a mitjà principal de mesura de la temperatura, la termopar té una àmplia gamma d’usos, de manera que hi ha molts requisits per fixar dispositius i rendiment tècnic. Per tant, els dispositius de fixació de termopar es divideixen en sis tipus: sense tipus de dispositiu de fixació, tipus roscat, tipus de brida fixa, tipus de brida mòbil, tipus de regla de la branca mòbil, tipus de tub de protecció cònica.

2. Classificació Segons el muntatge i l'estructura Segons el rendiment i l'estructura dels termoparells, es poden dividir en: termocouples desmuntables, explosió - termoparells, termoparells blindats i termocoums de propòsit especial com els termoparples fixos de molla a pressió.

Quins requisits s’han de prestar atenció a l’hora d’instal·lar termopar?

Per a la instal·lació de termoparells i termòmetres de resistència, s’ha de prestar atenció a la precisió de la mesura de la temperatura, la seguretat i la fiabilitat i el manteniment convenient i no afectar el funcionament d’equips i operacions de producció. Per complir els requisits anteriors, quan seleccioneu les peces d’instal·lació i la profunditat d’inserció dels termoparells i els termòmetres de resistència, presteu atenció als punts següents:

1. Per tal d’assegurar un intercanvi de calor suficient entre l’extrem de mesurament del termopar i el termòmetre de resistència i el medi mesurat, s’hauria de seleccionar raonablement el punt de mesura i s’ha d’instal·lar el termòmetre de termopar o resistència el més lluny possible de les vàlvules, els abrics i els racons de les canonades i equips.

2. Els termoparells i els termistors amb mànigues de protecció tenen pèrdues de transferència de calor i dissipació de calor. Per tal de reduir els errors de mesura, els termoparells i els termistors haurien de tenir una profunditat d’inserció suficient:

(1) Per a la termopar que mesura la temperatura del fluid al centre de la canalització, generalment s'ha d'inserir al centre del pipeline (instal·lació vertical o instal·lació inclinada). Si el diàmetre de la canonada és de 200 mm, la profunditat d’inserció de la termopar o la resistència s’ha de seleccionar per ser 100 mm;

(2) Per a les mesures de temperatura de la temperatura alta -, la pressió alta - i els líquids de velocitat alts - (com la temperatura principal del vapor), per reduir la resistència de la màniga protectora al líquid i evitar que es trenqui sota pressió fluida, un mètode d'inserció poc profund es pot utilitzar per al tub protector o una tèrmica tèrmica. La profunditat de la màniga protectora per a la termopar d'inserció poc profunda no ha de ser inferior a 75 mm quan s'insereix a la canonada de vapor principal; La profunditat d’inserció estàndard per a un termopar de màniga tèrmica és de 100 mm;

(3) Si és necessari mesurar la temperatura del gas de combustió a la combustió, tot i que el diàmetre de la combustió és de 4m, la profunditat d'inserció de termopar o resistència és d'1 m;

(4) Quan la profunditat d'inserció de l'original de mesura supera els 1 m, s'ha d'instal·lar verticalment el més en la mesura del possible, o s'hauria d'afegir un marc de suport i un tub de protecció.

S’han de prestar atenció als següents punts per tal d’utilitzar correctament el termocopa per evitar errors

L’ús correcte de la termopar no només pot obtenir amb precisió el valor de la temperatura, assegurar la qualificació del producte, sinó que també estalviarà el consum material de termopar, tant estalviar diners com assegurar la qualitat del producte. Instal·lació incorrecta, conductivitat tèrmica i errors de retard de temps, són els principals errors en l’ús de la termopar.

1. Els errors introduïts per instal·lació inadequada Si la posició d’instal·lació i la profunditat d’inserció de la termopar no reflecteixen amb precisió la temperatura real del forn, per exemple, la termopar no s’ha de situar massa a prop de la porta o de les zones de calefacció, i la seva profunditat d’inserció hauria de ser almenys de 8 a deu vegades el diàmetre del tub protector. La bretxa entre la màniga protectora de la termopar i la paret del forn no està farcida de material aïllant, cosa que pot provocar que la calor s’escapi o l’aire fred envaeixi el forn. Per tant, la bretxa entre la màniga protectora del termopar i la paret del forn s’ha de segellar amb argila refractària o corda d’amiant per evitar la convecció d’aire calent i fred, cosa que podria afectar la precisió de la mesura de la temperatura. Si l'extrem fred de la termopar és massa a prop del cos del forn, la temperatura pot superar els 100 graus. La instal·lació del termopar hauria d’evitar el màxim possible camps magnètics i camps elèctrics, de manera que no s’ha d’instal·lar en el mateix conducte que els cables d’alimentació per evitar interferències que puguin causar errors. El termopar no s’ha d’instal·lar en zones on el medi mesurat flueix molt poc. Quan es mesura la temperatura del gas dins de la canonada amb un termopar, la termopar s’ha d’instal·lar en la direcció oposada al cabal i ha de tenir un contacte suficient amb el gas.

2. Error introduït per deteriorament de l’aïllament Si la termopar està aïllada, massa residus de brutícia o sal al tub de protecció i la placa de tirada provoca un mal aïllament entre els pols del termopar i la paret del forn, que és més greu a alta temperatura. Això no només provocarà la pèrdua de potencial termoelèctric, sinó que també introduirà interferències, i l’error causat per això de vegades pot arribar a centenars de graus.

3. L’error introduït per inèrcia tèrmica La inèrcia tèrmica dels termoparells fa que la lectura de l’instrument es quedi per darrere dels canvis de temperatura reals, cosa que es nota especialment durant les mesures ràpides. Per tant, és recomanable utilitzar termoparells amb termoelements més fins i diàmetres de tubs de protecció menors. Quan l’entorn de mesura ho permet, es pot treure el tub de protecció. A causa del retard de la mesura, l'amplitud de les fluctuacions de temperatura detectades per termoparells és menor que la de les temperatures del forn. Com més gran sigui el retard de la mesura, més petita és l’amplitud de les fluctuacions del termopar i més gran la diferència respecte a la temperatura real del forn. Quan s’utilitzen termoparells amb una constant de temps gran per a la mesura o el control de la temperatura, l’instrument pot mostrar fluctuacions de temperatura mínimes, però la temperatura real del forn podria variar significativament. Per garantir una mesura precisa de la temperatura, s’han d’escollir termoparells amb una petita constant de temps. La constant de temps és inversament proporcional al coeficient de transferència de calor i directament proporcional al diàmetre de l’extrem calent del termopar, la densitat del material i la seva calor específica. Per reduir la constant de temps, a més d’augmentar el coeficient de transferència de calor, el mètode més eficaç és minimitzar la mida de l’extrem calent. A la pràctica, els materials amb una bona conductivitat tèrmica, parets de tubs prims i petits diàmetres interiors s’utilitzen normalment per a mànigues de protecció. Per a mesures de temperatura més precises, s’utilitzen termoparells de filferro nu sense mànigues de protecció, però es poden danyar fàcilment i requerir una calibració o reemplaçament puntuals.

4. Error de resistència tèrmica a alta temperatura, si hi ha una capa de sutge al tub de protecció i la pols s’uneix, la resistència tèrmica augmentarà i la conducció de calor s’induirà. En aquest moment, la indicació de la temperatura és inferior al veritable valor de la temperatura mesurada. Per tant, s’ha de mantenir la neteja externa del tub de protecció del termopar per reduir l’error.

Els principals avantatges dels termoparells

1. Precisió de mesurament elevada. Com que està en contacte directament amb l'objecte mesurat, no es veu afectat pel medi intermedi.

2. Els termoparells comuns es poden mesurar contínuament a partir de 50 graus-1600 graus, i algunes termoparells especials es poden mesurar com a baixos AS-269 graus (com el crom de níquel de ferro d'or) i fins a 2800 graus (com el tungstè, el reni).

3. Estructura senzilla i fàcil d’utilitzar. Els termoparells solen estar compostos per dos cables metàl·lics diferents i no estan limitats per la mida i el començament. Tenen una màniga protectora a l’exterior, cosa que els fa molt convenients d’utilitzar.

Quines són les tendències futures i els camps d’aplicació del termopar?

I. I. Future Tend Tend Innovació i millora del rendiment Noves Materials termoelèctrics: Desenvolupeu materials amb una sensibilitat més elevada i un rang de temperatura més ampli (com ara termoparells d’òxid, nanocomposites) per substituir aliatges metàl·lics tradicionals (com ara K -, tipus J {{2 de termoparells de pel·lícula flexible, prim - (com ara l'electrònica impresa). Materials superconductors d’alta temperatura: explorar esquemes de mesurament de la temperatura estables en ambients extrems (com els reactors aeroespacials i nuclears). Processament de senyal incrustat intel·ligent i integrat: amplificador en miniatura integrat i circuit de compensació digital, la sortida directa del senyal digital, redueix la interferència externa. IoT Fusion: Monitorització remota mitjançant transmissió sense fils (com Lora, Nb {{7} IoT) per donar suport a les aplicacions de la indústria 4.0 i Smart City. Sistema de potència Self -: utilitzant l'efecte Seebeck dels termoparells per alimentar els dispositius de potència baixos - (com els nodes de sensor sense fils). Optimització de la precisió i la fiabilitat Tecnologia de calibració de l'AI: mitjançant l'aprenentatge automàtic per compensar dinàmicament l'error no lineal i la deriva envelliment, allarguen la vida del servei. Multi - Fusió del sensor: combinat amb infrarojos, RTD, etc., per millorar la fiabilitat de la mesura en un entorn complex. Procés de baix cost i normalització MEMS: gran - La producció a escala de sistemes microelectromecànics redueix el cost de les micro termoparells i amplia les aplicacions de consum. Unificació estàndard internacional: adaptar -se a la cadena de subministrament global, simplifiqueu el procés de selecció i manteniment.

2, Camps d'aplicacions emergents Nou energia i neutralitat de carboni fotovoltaic i emmagatzematge d'energia: monitoritzar la temperatura del panell solar (per evitar l'efecte punt calent) i la gestió tèrmica dels sistemes d'emmagatzematge d'energia. Energia d’hidrogen: producció d’hidrogen d’alta pressió i control de temperatura de les piles de pila de combustible. Fusió nuclear: mesures extremes d’alta temperatura per a futurs reactors (com el tungstè i els termocopis del reni). High - Fabricació i Automatització Fabricació de semiconductors: control de la temperatura de precisió del processament i de gravat de les hòsties (requeriment de la resposta mil·lisegona). Fabricació additiva: Real - Feedback de temps de la temperatura de la piscina de fusió en el procés d'impressió 3D per optimitzar la qualitat del modelat. Robot: protecció sobre sobreescalfament de robot col·laboratiu. Cirurgia biomèdica i de salut mínimament invasiva: els termoparells ultrafins s’integren en un catèter o endoscopi per controlar la temperatura del teixit en temps real. Dispositius portables: control continu dels canvis de temperatura corporal (com ara les necessitats de gestió de la salut després de l’epidèmia). Teràpia de baixa temperatura: control de temperatura precís durant la crioteràpia del nitrogen líquid. Aeronava aeroespacial i de defensa: monitorització de calefacció aerodinàmica superficial (materials resistents a més de 2000 C). Control tèrmic per satèl·lit: millora de la fiabilitat en l’entorn de la temperatura extrema de l’espai. Gestió de la salut del motor: Monitorització de la distribució de la temperatura de la fulla de la turbina. Electrònica d’electrònica intel·ligent i de consum intel·ligents electrodomèstics intel·ligents: control de temperatura precís de forns, màquines de cafè i altres electrodomèstics. Dispositius AR/VR: evitar que el sobreescalfament del processador afecti l'experiència dels usuaris. Medi Ambient i Agricultura Agricultura intel·ligent: control de la temperatura hivernacle i del sòl. Exploració geotèrmica: mesurament de la temperatura del pou profund per ajudar al desenvolupament de l’energia.

sumar

El futur dels termoparells se centrarà en tres àrees clau: High - Materials de rendiment, intel·ligència i creu - integració del domini. Continuaran penetrant en els sectors finals alts - com ara la nova energia, la salut i l’aeroespacial i entraran al mercat de consum a mesura que disminueixin els costos. Els seus avantatges bàsics - Estructura simple, sense requisit d’alimentació i resistència a la calor - asseguren la seva inscripció irrepassabilitat, però també s’han de desenvolupar en conjunt amb les tecnologies del sensor emergents.